En yta från vilken olja och vatten helt enkelt studsar av:Den superamfifoba beläggningen är inte ens våt av den lågviskösa oljehexadekanen, som skulle breda ut sig även på en non-stick beläggning. Därför, en droppe av vätskan studsar först upp från ytan innan den kommer att vila på den som en nästan perfekt sfär. De superamfifoba egenskaperna härrör från den svampliknande glasstruktur som forskare vid Max Planck Institute for Polymer Research har utvecklat. Kredit:Science / Xu Deng - MPI för polymerforskning
Glasögon behöver aldrig mer rengöras, och smutsiga vindrutor är ett minne blott! Forskare vid Max Planck Institute for Polymer Research i Mainz och Darmstadts tekniska universitet är nu mycket närmare att uppnå detta mål. De har använt ljussot för att framställa en transparent superamfifob beläggning av glas. Både olja och vatten rullar av denna beläggning, lämnar absolut ingenting efter sig. Något som till och med stämde när forskarna skadade lagret med sandblästring. Materialet har denna egenskap till sin nanostruktur. Ytor som är förseglade på detta sätt kan användas var som helst där förorening eller till och med en vattenhinna är antingen skadlig eller helt enkelt en olägenhet.
Doris Vollmer hatar att hennes glasögon alltid blir smutsiga så snabbt. Dock, vetenskapsmannen, som leder en forskargrupp vid Max Planck Institute for Polymer Research, letar efter en lösning på problemet - och hon och hennes team är nu en hel del närmare att hitta en. En transparent beläggning som är mycket bra på att stöta bort vatten och olja, som nu presenteras av de Mainz-baserade forskarna, kunde inte bara hålla vatten och smuts borta från linserna i glasögon och bilvindrutor, men också, till exempel, från skyskrapors glasfasader. Det kan också förhindra rester av blod eller kontaminerade vätskor på medicinsk utrustning.
Beläggningen består i huvudsak av ett extremt enkelt material:kiseldioxid, huvudbeståndsdelen i allt glas. Forskarna belade detta med en fluorerad kiselförening, vilket redan gör ytvatten- och oljeavvisande, som en non-stick stekpanna. Den riktigt smarta delen är beläggningens struktur, dock. Det är detta som gör glaset super vattenavvisande och super oljeavvisande. I en stekpanna med denna typ av beläggning, vatten och olja skulle helt enkelt rulla runt i form av droppar. Lagrets struktur liknar en svampliknande labyrint av helt oordnade porer, som består av små sfärer.
Sot från ljuslågan som modell för den porösa glasstrukturen
"De rundade ytorna kan inte blötas även av lågviskösa oljor, även om detta skulle vara energimässigt mest gynnsamt, ” säger Doris Vollmer. Detta beror på att vätskorna som väter även fluorerade ytor skulle behöva pressas över dessa sfärer, som mäter cirka 60 nanometer (en nanometer motsvarar en miljondels millimeter), för att bilda en film på ytan. Detta kräver för mycket energi.
Det finns två anledningar till att den svampliknande kiseldioxiden, huvudbeståndsdelen i glas, är så bra på att stöta bort vatten och olja - för det första, eftersom den är belagd med en fluorerad kiselförening, och för det andra, på grund av dess struktur:det är som om det var sammansatt av otaliga små sfärer. Kulornas ytor förhindrar att materialet blir vått av olja, även om detta vore energimässigt gynnsammare. Kredit:Science / Xu Deng - MPI för polymerforskning
En sådan beläggning skulle vara idealisk för många applikationer, inte minst för att den är så lätt att producera. "Vi kan till och med tillverka det i syltburkar, ” säger Doris Vollmer. Och sotet från en ljus låga, som forskarna gjorde något som liknar ett glasavtryck, fungerade som modell för sfärernas porösa struktur. Forskarna började med att hålla en glasskiva i en låga så att sotpartiklarna, som mäter cirka 40 nanometer i diameter, bildade en svampliknande struktur på glaset. Nästa steg var att belägga den med kiseldioxid i ett glaskärl – även en syltburk skulle göra det – genom att ångavsätta en flyktig organisk kiselförening och ammoniak på sotavlagringen. När de sedan värmde upp materialet, sotet sönderdelade. Nästa steg var att ångavsätta en fluorerad kiselförening på den ihåliga kiseldioxidstrukturen.
De försökte sedan väta denna beläggning med olika vätskor. Dock, de lyckades inte, även när de låter hexadekan droppa från stor höjd på den; i en non-stick stekpanna, hexadekan sprider sig som vatten i ett tvättställ. "Inledningsvis en droppe av oljan trängde in i den svampliknande strukturen, men sedan studsade tillbaka som en gummiboll, ” förklarar Doris Vollmer. Även om en del av vätskan stannade kvar i porerna och blöter materialet, när det mesta av droppen återvände till ytan med en lägre hastighet efter att ha studsat upp, den drog upp den lilla mängden hexan som hade blivit kvar ur glasporerna igen. Till sist, den återförenade droppen blev liggande på ytan som en boll (se video). Forskarna i Mainz testade det superamfifoba lagret med totalt sju vätskor och fann att ingen sögs upp av glassvampen.
Systematisk forskning för självrengörande beläggning
"Eftersom materialet stöter bort vatten och olja så bra, det skulle vara lämpligt som en självrengörande beläggning för ett stort antal applikationer, säger Hans-Jürgen Butt, Avdelningsdirektör på Mainz-baserade Max Planck Institute där Doris Vollmer arbetar med sin grupp. Och även om en del av lagret togs bort, glasstrukturen förblev superamfifobisk. Detta beror på att dess inre struktur är densamma som dess struktur på ytan. Den förlorar sina självrengörande egenskaper först när skiktet blir tunnare än en mikrometer. Och detta är precis vad som skulle hända ganska snart i praktiken, även om en självrengörande svampstruktur flera mikrometer tjock användes för att belägga glasögonglasen eller en fönsterruta. När forskarna låter sand sippra på den känsliga glasstrukturen, beläggningen nöts bort ganska snabbt. "I ett nästa steg, vi skulle därför vilja utveckla ett lager som är superamfifobiskt, med bättre mekanisk stabilitet, ” säger Doris Vollmer.
Med hjälp av sådana beläggningar vill forskarna ta reda på mer om de faktorer som avgör hur väl ett material stöter bort vatten och olja. "Vi känner fortfarande inte till detta förhållande i detalj, ” säger Hans-Jürgen Butt. "Sökandet efter superamfifoba material är därför mer eller mindre ett fall av trial and error." Så snart forskarna har uppnått en systematisk förståelse av varför en vätska väter en yta eller inte, industriföretag kommer att kunna specifikt utveckla självrengörande beläggningar för applikationer inom arkitektur, optik och medicin.
